淺談DP2船舶電站母聯(lián)閉合

張銘

摘? 要：該文對具有母聯(lián)閉合要求的DP2船舶的電站系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并提出了解決方案。并對有DP2入級(jí)符合要求的船舶分析了船級(jí)社對PMS的要求。除了這些船舶，一些潛水支持船、科考船等許多船舶都需要配備有DP2能力的船舶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對于有動(dòng)力定位能力的船舶來講，DP2船舶占的比重是最大的。通常船舶設(shè)計(jì)與制造過程，DP2船舶的電站母線被分區(qū)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：DP2? 母聯(lián)閉合? DGMS? PMS

中圖分類號(hào)：TP274? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）04（a）-0026-02

動(dòng)力定位船舶鑒于其優(yōu)良的定位性能，在許多船舶中得到了越來越多的應(yīng)用，通常一座海洋鉆井平臺(tái)、工作平臺(tái)，或海洋工程船都需要配備數(shù)艘具有DP2（Dynamic Positioning，動(dòng)態(tài)定位）能力的輔助船舶為其服務(wù)。除了這些船舶，一些潛水支持船、科考船等許多船舶都需要配備有DP2能力的船舶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對于有動(dòng)力定位能力的船舶來講，DP2船舶占的比重是最大的。

通常船舶設(shè)計(jì)與制造過程，DP2船舶的電站母線被分區(qū)設(shè)計(jì)，中間由母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)接。船舶在DP2狀態(tài)工作時(shí)，母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，每個(gè)區(qū)域獨(dú)立供電。如圖1某DP2船舶的電力系統(tǒng)單線示意圖，A、B兩段母線分別分布2、3臺(tái)發(fā)電機(jī)，中間由一個(gè)母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)聯(lián)接。

1? DP2船舶對PMS的要求

對DP2船舶，各主流船級(jí)社對其電站PMS（power management system，動(dòng)力管理系統(tǒng)）配置都做了詳細(xì)、明確的要求。對于入級(jí)DP2的項(xiàng)目來講，由于DP2對冗余的要求，通常認(rèn)為PMS的配置也需要冗余，尤其是控制器的冗余，有時(shí)還配置了多組冗余的控制器。

船級(jí)社對入級(jí)DP船舶電站功率管理系統(tǒng)（PMS）的要求了解，入級(jí)DP2船舶來講，船級(jí)社只有有與沒有PMS的要求，根本沒有冗余的要求，對于入級(jí)DP2的船舶來講，只要提供PMS系統(tǒng)就滿足規(guī)范。

那么大家不禁要問，如果PMS出現(xiàn)故障，如何處理呢？對于這個(gè)問題，ABS船級(jí)社給予的答復(fù)是“A failure in the power management system is to initiate an alarm in the DP control station. When the power management is disconnected， manual operation of the switchboard， as described in 4-8-3/5.5.4 of the Steel Vessel Rules， is to be provided”。也就是說，如果PMS發(fā)生了故障，只要PMS系統(tǒng)可以對外送出報(bào)警，進(jìn)行手動(dòng)操作也是滿足船級(jí)社要求的。

2? DP2船舶電站系統(tǒng)母聯(lián)閉合

傳統(tǒng)DP2船舶電站系統(tǒng)是通過兩個(gè)或兩個(gè)以上的獨(dú)立的電源系統(tǒng)和多個(gè)發(fā)電機(jī)的在線操作來實(shí)現(xiàn)的，電站母線被分區(qū)設(shè)計(jì)，母線上每個(gè)發(fā)電機(jī)的獨(dú)立保護(hù)，任何發(fā)電機(jī)發(fā)生了異常，系統(tǒng)就將該發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)上斷開，然后通過PMS對整個(gè)電網(wǎng)的功率進(jìn)行管理，控制在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的數(shù)量，使整個(gè)電站經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)行。船舶在DP2作業(yè)時(shí)，絕大部分情況下推進(jìn)器的負(fù)荷率通常低于30%，這就使得幾個(gè)同時(shí)使用的發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率也很低，母線分的段越多，要求的在線的發(fā)電機(jī)就越多，發(fā)電機(jī)的工作效率就越低，這樣勢必增加了排放量和燃油消耗量。

為了最大限度地減少燃料消耗和排放量，必須盡量減少在線發(fā)電機(jī)組的數(shù)量。近兩年來，DP船舶及電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)供商開發(fā)了閉合母聯(lián)的電站系統(tǒng)，采取閉合母聯(lián)（母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合）的電站系統(tǒng)可以減少發(fā)電機(jī)的數(shù)量，從而可以充分利用現(xiàn)有的發(fā)電容量，因而進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)的效率，減少排放量和燃油的消耗量，降低對環(huán)境的影響。由于運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量減少，從而也降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。

在傳統(tǒng)的DP2船舶的電站，將母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合起來，系統(tǒng)的效率是提高了，但然而某些類型的故障（比如自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)裝置（AVR）故障、發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)調(diào)速器（governor）故障）僅通過對該故障機(jī)的監(jiān)測是無法監(jiān)測到的。事實(shí)上，這樣的故障可能導(dǎo)致其他的、本來正常的發(fā)電機(jī)組，為了試圖維護(hù)電網(wǎng)的電壓和頻率在正常的限制范圍內(nèi)而變得異常，這可能導(dǎo)致級(jí)聯(lián)故障，使得所有的本來正常的發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)，而僅余下有故障的發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)。最終在整個(gè)電網(wǎng)上，由于沒有健康正常的發(fā)電機(jī)組來維持電網(wǎng)的正常電壓和頻率，故障機(jī)也將會(huì)脫扣，最終導(dǎo)致了整個(gè)電網(wǎng)的完全失電。但如何保證系統(tǒng)的完整性和在故障情況下保持位置的能力呢？如何解決這個(gè)問題呢？

目前許多船舶電站制造廠家為了滿足這一要求，已經(jīng)開發(fā)并實(shí)船使用了滿足這一要求的電力系統(tǒng)，其中DGMS系統(tǒng)（Diesel generator monitoring System，柴油發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)）具有代表性。

3? DGMS的架構(gòu)組成

DGMS可以監(jiān)測那些有可能使正常發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)的故障，通過監(jiān)測所有同時(shí)在網(wǎng)的發(fā)電機(jī)，檢查每個(gè)發(fā)電機(jī)的在不同控制模式（PMS設(shè)定的）下的行為和調(diào)速器，DGMS可以正確地鑒別出有故障的發(fā)電機(jī)組，如果有需要的話，在發(fā)生進(jìn)一步故障前，將有故障的發(fā)電機(jī)組從電網(wǎng)上剔除。當(dāng)然配電板的整定和保護(hù)也需要相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

如某公司在DP2船舶上配置DGMS系統(tǒng)來解決母聯(lián)閉合這個(gè)問題，該公司的DGMS系統(tǒng)是通過其AC800M PLC控制器和S800 I/O模塊來實(shí)現(xiàn)的。通常每個(gè)發(fā)電機(jī)或每段母線上配置一個(gè)DGMS單元，所有的DGMS單元通過光纖以太網(wǎng)或銅質(zhì)以太網(wǎng)連鏈接起來。這些以太網(wǎng)可以組成環(huán)網(wǎng)或構(gòu)成雙網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的冗余，各個(gè)DGMS單元可以通過該以太網(wǎng)有效、快速地共享所有DGMS單元的數(shù)據(jù)。

DGMS系統(tǒng)可配置一個(gè)顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，方便了操作人員的使用。該屏通過mimic圖可以顯示了被監(jiān)測發(fā)電機(jī)的概況，每個(gè)活動(dòng)的報(bào)警通過一個(gè)詳細(xì)的報(bào)警列表羅列了出來。此外，該顯示屏還提供了事件列表。通過該面板可以復(fù)位閉鎖的脫扣、啟用和禁用脫扣。

每個(gè)DGMS供電也推薦通過冗余的電源來供電。

4? DGMS的功能、特點(diǎn)

通常電站系統(tǒng)中的配電板都具有常規(guī)保護(hù)功能，比如發(fā)電機(jī)的過流保護(hù)、欠壓保護(hù)、逆功保護(hù)等。但這些常規(guī)保護(hù)功能并沒有包含所有的保護(hù)，比如發(fā)電機(jī)組原動(dòng)機(jī)燃油的過給（over-fuelling）和不給（under-fuelling）故障的保護(hù)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝載的過勵(lì)（over-excitation）和欠勵(lì)（under-excitation）故障的保護(hù)。故障發(fā)電機(jī)保護(hù)繼電器不能很容易地探測出這些故障，也很難鑒定出具體的故障點(diǎn)，PMS也無法實(shí)現(xiàn)這些保護(hù)。而這些故障可以導(dǎo)致那些沒有故障的健康發(fā)電機(jī)試圖維持系統(tǒng)正確的電壓和頻率而變得過載或吸收功率，從而導(dǎo)致那些健康沒有故障的發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)。

DGMS還實(shí)現(xiàn)了一些額外的安全功能，如果某個(gè)故障發(fā)電機(jī)的DGMS單元由于某種原因沒有發(fā)現(xiàn)其所對應(yīng)發(fā)電機(jī)的調(diào)速器或勵(lì)磁裝置的故障，那么整個(gè)電力系統(tǒng)中其他發(fā)電機(jī)的DGMS單元也可以發(fā)現(xiàn)故障發(fā)電機(jī)的調(diào)速器故障或勵(lì)磁裝置的故障。

發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在如下的運(yùn)行模式下：

（1）同步負(fù)載分配;

（2）下降（有差）負(fù)載分配;

（3）基本負(fù)載。

DGMS在上述的3種模式中，均可保護(hù)發(fā)電機(jī)。

每個(gè)發(fā)電機(jī)的DGMS單元可以通過每個(gè)發(fā)電機(jī)的DGMS單元讀取每個(gè)發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，每個(gè)發(fā)電機(jī)的DGMS單元可以利用這些數(shù)據(jù)來幫助識(shí)別和鎖定故障，這就對發(fā)生在本段母排和其他母排上的故障提供了很好的保護(hù)。

當(dāng)一個(gè)故障被探測到了，DGMS系統(tǒng)將把這個(gè)信號(hào)送到ICMS系統(tǒng)。如果允許的話，DGMS也會(huì)命令PMS啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組。如果形勢惡化，如系統(tǒng)頻率或電壓不能維持在正常范圍內(nèi)，或引起正常健康的發(fā)電機(jī)跳閘迫在眉睫，DGMS將送一個(gè)預(yù)脫扣信號(hào)給PMS指示發(fā)電機(jī)主開關(guān)或母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)就要脫扣了，不同的預(yù)脫扣信號(hào)會(huì)發(fā)至每個(gè)斷路器，PMS將正確地應(yīng)對即將到來的脫扣，如果沒有設(shè)備會(huì)被損壞，脫扣將會(huì)稍微被延時(shí)，這樣就為PMS的脫扣贏得了時(shí)間。之后DGMS會(huì)發(fā)出跳閘命令保護(hù)電站。該跳閘命令根據(jù)故障的位置要么送至有故障發(fā)電機(jī)的主開關(guān)，要么送至母聯(lián)開關(guān)，為了維護(hù)電站系統(tǒng)最小范圍內(nèi)的失電，這些跳閘（脫扣）功能也是相關(guān)協(xié)調(diào)的，系統(tǒng)首先試圖脫扣有故障的發(fā)電機(jī)，如果脫扣有故障的發(fā)電機(jī)沒有成功，則去脫扣母聯(lián)。如果脫扣母聯(lián)開關(guān)很有必要，DGMS將距離故障點(diǎn)最近的母聯(lián)開關(guān)脫扣。

5? 結(jié)語

對于有母聯(lián)閉合要求的DP2船舶，特別是在全電力推進(jìn)系統(tǒng)的DP2船舶上，電站越來越多地配置類似的DGMS的系統(tǒng)，母線采取母聯(lián)閉合的方式，這樣不但保證了系統(tǒng)的完整性和在故障下保持位置的能力，而且又最大可能地減少了排放和燃料消耗，減少了對環(huán)境的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 安亮.基于網(wǎng)絡(luò)控制的船舶電站的研究與設(shè)計(jì)[D].大連海事大學(xué)，2009.

[2] 朱臣生.電站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連海事大學(xué)，2006.